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光子晶体光纤的出现开辟了光纤发展的新时代,并在短时间就展现出了普通光纤无法比拟的优越特性和巨大的发展潜力,近年来已成为光通信领域的一个研究热点。而根据导光机制的不同可将光子晶体光纤分为两大类,一类是全内反射光子晶体光纤,另一类是光子带隙光纤,对于前者的研究较多且理论上已接近成熟,后者的研究偏少且与前者相比后者具有高效耦合特性,低非线性特性和传输窗口可控等特性,因此受到了包括军方在内的各界的广泛关注。本论文从理论上对空芯光子带隙光纤（HC-PBGFs）的结构设计与特性分析进行了探索性的研究,首先对光子晶体和光子晶体光纤的概念、发展和特性给予介绍,尤其对HC-PBGFs的特性进行了总结,随后建立了理论研究的基础,对HC-PBGFs的纤芯设计、模式特征、色散、非线性和损耗等特性进行了分析,主要工作概括如下:1.对构成光纤的四种格点结构包括圆化空气孔进行了简要的介绍,利用平面波展开法（PWM）求解电场的本征值方程,得到了折射率比为1.45:1的平面外带隙结构图,并对其进行了较详细的分析,得出占空比越大要求沿传播方向的传播常数越大才能形成光子带隙的结论;利用PWM给出了带隙传播图,并利用该图解释了要想在HC-PBGFs中实现中心缺陷导光,必须同时具备光波频率落入光子带隙范围内和传播模式满足β≤kn2,这两个条件的结论。2.详细推导了基于混合棱边/节点元的全矢量有限元（FEM）模型和完全匹配层（PML）边界条件。给出了计算光子晶体光纤磁场矢量的FEM模型。并利用该模型考察了三角格子全内反射光子晶体光纤的色散特性,给出了模式的场能量分布、等高线分布和色散,与已发表文献的结果吻合良好,验证了模型的正确性和有效性。为后续章节提供了理论基础。3.利用带隙传播图设计了研究的三角格子HC-PBGFs,简要分析了表面模（SMs）形成的原因,并利用全矢量FEM模拟了在不同纤芯截切半径情况下的光纤,得出了消除SMs的光纤纤芯半径的最佳可取范围为R=0.9-1.0A。随后,同样利用带隙结构图设计了研究的圆六边形空气孔按三角格子排列的HC-PBGFs,模拟了不同纤芯外半径和不同石英环相对厚度的光纤,发现石英环的引入既可以抑制SMs也可以激发SMs,关键要看纤芯环厚度的选择;得出了相应的消除SMs的光纤纤芯外半径和石英环相对厚度的可取范围。在最后研究了光纤的薄壁芯环,得出了芯环壁的最佳归一化厚度取值范围为T=0.3-0.6之间。4.对具有C6v对称的19单元芯HC-PBGFs的模式简并特性进行了分析,对找到的16个模式进行了分类和命名,随后对常用的7单元芯三角格子HC-PBGFs的模场特性、色散特性、基质中的能量分布特性、有效模场面积、非线性系数以及损耗特性进行了较全面的分析,并对材料效应也做了研究,研究发现在计算大占空比的HC-PBGFs的色散时,可以忽略材料色散,而材料效应对非线性系数的贡献是不能忽略的,并得出了对于HC-PBGFs而言其非线性系数很小要比传统单模光纤的非线性系数低大约3个数量级的结论;最后研究了HC-PBGFs的色散可控特性,发现可以通过改变光纤的包层和纤芯的结构参数来实现调节光纤的零色散点和色散斜率,改变空气孔的圆化直径或者芯环的厚度能够控制光纤的色散斜率,改变空气孔的圆化直径、孔间距、基质折射率、芯环厚度以及占空比可调节光纤的零色散点。5.研究了基于正方格子（SL）的HC-PBGFs的模场行为,发现该种光纤有两个优点一是模式的宽带运行,二是有效的单模运转。随后对SLHC-PBGFs的泄漏损耗进行了全面的分析,发现包层数是影响泄漏损耗的主要因素,圆化直径、孔间距和纤芯直径对泄漏损耗的影响较小,但可以通过调节它们使得在确定的波长下具有最小的泄漏损耗。首次对该种光纤的色散特性进行了分析,经分析发现SL HC-PBGFs的色散特性主要由光纤纤芯和包层结构决定,纤芯直径的和包层环数的变化对色散的影响较小,圆化直径、孔间距和占空比的变化对色散的影响较大;色散特性满足HC-PBGFs的缩放率,且改变这种光纤的结构可以实现对其色散波长和色散斜率的调节。